試論ZigBee無線傳感器網絡的應用

文丨劉 鵬

（長江大學計算機科學學院，湖北荊州 434023）

1 前言

隨著近年來傳感器和通信以及計算機網絡在工作生活中的廣泛應用，并與微機電系統等技術的互相融合，促使了無線傳感器網絡應用的產生。無線傳感器網絡由于其具有較強的協作感知功能和能夠自主的處理由部署在固定區域內的各個微型傳感器所采集到的信息，為觀察者提供了較強的網絡監控組織系統而受到諸多用戶的喜愛和關注。無線傳感器網絡曾因其多學科的電子技術、新興、前沿的熱點的通信手段被美國的《商業周刊》評為21世紀對人類未來生活帶來極大影響的新興技術。在技術的不斷進步中，其適用的范圍逐步擴大，目前被廣泛應用于軍事、建筑物建造、國防安全、環境保護、衛生系統、家庭日用等多個系統和領域。盡管傳感器還處于發展的初級階段，但其未來市場價值和發展趨勢不可忽視。

2 ZigBee 技術的特點

ZigBee技術具有多種優點，如成本不高、損耗較低、速率不高、短時延、交稿的容量和安全性能交稿等。ZigBee技術中如20～250kb/s(2.4GHz)，40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)這些原始數據吞吐率和數據傳輸速率足夠客戶滿足低速率傳輸數據的各種需求。ZigBee節點在其待機模式下，兩節普通的5號電池可使其使用大約6～24個月，方便了不停換電池或者充電的繁瑣。而其數據傳輸速率較低，協議不難，免收專利費用又在很大程度上降低了開發的成本，大大降低了開發成本，ZigBee響應速度很快，一般從低消耗的睡眠狀態下到進入工作狀態只需要15ms，而其節點連接到網絡則只需要30ms，極大地節約了電耗。一個ZigBee 網絡可以容納最多254個RFD 和FFD，一個區域內最多可以同時存在100個ZigBee 網絡，很大程度上實現了網絡容量大、組網靈活的目標。ZigBee又具備了三個標準的安全模式，充分使用了接入控制清單，在很大程度上阻止了外界對數據的非法獲取，同時采用了具有更加高級加密標準的對稱密碼，為實現更高的安全性能提供了技術保障。

3 無線傳感網絡的定義

無線傳感器網絡的系統構成一般包括傳感器節點（sensor node）、匯聚節點（sink）和管理節點（manager node）三個方面。大量的傳感器的節點不規則分布在整個被觀測的區域中，利用具備的自發功能創建網絡，其節點首先在將檢測到的相關信息進行必要的整理后，通過多跳中繼的形式將其傳遞給匯聚節點，然后通過互聯網等傳送到終端用戶所使用的的管理節點上。 反過來終端用戶也可通過對管理節點的控制實現對無線傳感器網絡的管理。無線傳感器網絡傳感器的各個節點通常使用嵌入式系統，但是由于其體積、價格和電源供給等方面確定，其作業的處理能力和存儲能力比較薄弱，通信距離也有很大的限制。而無線傳感器網絡使用的匯聚節點則具有很強的作業處理能力和存儲及通信能力，無線傳感器不但具有強大的能量供應系統，還能夠通過其特殊的網絡設備，增強計算機的計算能力和存儲容量。其通過協議的轉換方式以實現管理各個節點與傳感器的網絡通信，把其所收集到各種數據及信息再轉發到外部的網絡設備上，并同步管理節點和接收到的任務。

4 ZigBee 技術在無限傳感器網絡中的應用

ZigBee技術是近年來發展出現的最新近距離無線通訊技術，具有能耗不高、成本低廉、使用簡單的優點，主要以2.4GHz為頻段、采用直接的序列擴頻技術，已經被越來越多的人們用來搭建無線傳感器網絡，并一直受到人們的好評和喜愛。

標準ZigBee的主要技術基礎是IEEE802.15.4，由IEEE無限個域網工作組所制定的IEEE802.15.4技術標準定義了物理層和媒介接入控制層。而PHY層由射頻收發器和底層的控制模塊構成；物理信道提供點到點通信的服務，是由MAC子層構成。IEEE802.15.4協議采用載波監聽，避免沖突，由節點進行定期偵聽信道，并接收其中的信標幀，在沒數據來往時自動進入休眠狀態。ZigBee協議一般采用各自分層的定義方式，每一個分成只需完成本層的規定任務，上傳上層必要的服務內容。完整的ZigBee協議一般都是由高層的應用規范和應用匯聚層以及網絡層加上數據鏈路層及物理層構成，網絡層以上的所有協議則都是由ZigBee聯盟來進行修訂和管理。

ZigBee的網絡層需要供給必要的設備加入，或退出網絡和幀安全的機制、各種維護機制以及路由發現等。同時ZigBee的協調器中的網絡層還有對新入網絡的設備進行地址分配的任務。ZigBee的應用層則負責支持包括子層、ZigBee設備、和制造商所定義的特殊的使用對象。APS 子層則根據相關設備的要求跟每個設備進行必要的匹配，并負責維護節點的綁定列表以及在設備之間傳達信息。ZDO主要負責發現和提供網絡中的設備的應用服務。通常條件下，ZigBee網絡中的設備可以被分為兩種型號，一個是負責網絡協調，同時可以同網絡中的任何設備通信的全功能設備，另外是簡化的功能設備，它只能與FFD通信，而不能作為網絡的協調者，兩個RFD之間職能進行間接通信。ZigBee網絡所定義的三種功能設備是：網絡協調器，網絡路由器和網絡終端設備。前兩種都屬于FFD，而最后的則是RFD。

ZigBee以不同的、獨立的工作節點為依托，通過利用無線通信實現網絡組成，網絡拓撲主要包括星型、樹型以及網狀網三種模式，在實際應用中，可根據具體情況選擇適合的網絡拓撲。ZigBee網絡中最少需要一個FFD為Coordinator建構網絡及進行相關的協調輔助。為解決資金，ZigBee網絡中的大部分節點都為 RFD。

5 根據家庭ZigBee技術的應用解讀ZigBee技術

作為系統靈魂和控制核心而存在的家庭網關，其主機為嵌入式的系統平臺，如果外接一個應用有ZigBee技術的短程無線收發設備，那么就很容易實現其對家庭區域網中多種設備的控制。而且還可以向外部提供多種遠程控制的智能操作口，系統的管理員能利用其中的任意一臺連接到因特網上的PC機從而達到訪問Web頁的目的，在家庭生活中，ZigBee的技術應用優點具體表現在可以通過在設備中嵌入帶有ZigBee芯片的無線網絡系統，這樣就形成了一個家庭的內部無線網絡系統，通過這個網絡可以輕松控制連接到這臺設備上的各種電子設備，如水表、監控系統、天然氣馬表、和電表等。而每一個電子設備都構成了這個無線網絡中的一個節點，通過這些節點，各個電子設備之間可以互相協作并進行快速的數據傳送和接收，為家庭生活提供更加便利和舒適的生活環境，為了達到控制系統的智能化，ZigBee技術還可以將手機加入到其中，以輕松實現各種便利化的生活方式，如控制空調溫度，開關防盜門等。

6 小結

ZigBee技術在目前的無線通信領域中已發展成為第一大支柱技術，其不但得到了IEEE國際標準化組織的認同，還在現今的無線通訊技術中有著其他通訊手段無法比擬的優勢，其在軍士、工業、家庭和交通等領域、方面的應用也在越來越多的得到重視，現在的很多科學研究團體和學術界也在為ZigBee技術的更廣泛應用而努力，隨著時代的進步，在不久的將來，ZigBee技術得到完善和改進后必將進入各個行業和領域，為人們的日常生活和工作提供各種便利，隨著網絡、通信技術的不斷改進，人們對于通信系統的改進和日常生活的智能管理的關注也越來越多，人們已經漸漸不滿足于當前的技術水平和通信的現狀，而ZigBee技術技術的出現和應用，正好迎合了人們的這種需求和心里，當然，ZigBee技術也并非沒有缺點，其寬帶小、速度慢都在制約著其在其他一些諸如圖像處理領域的發展。然而，我們有理由相信，隨著ZigBee 技術的不斷改進，其必將克服現狀，為人們帶來更好的技術和設備管理方式。

[1]費曉飛，胡捍英. 無線傳感器網鄰居發現算法研究. 微計算機信息，2009（25）.

[2]成小良，鄧志東. 基于ZigBee規范構建大規模無線傳感器網絡. 通信學報，2008（29）.

[3]楊祥，趙榮陽，張遠翼等. 基于ZigBee的智能家庭系統控制終端設計. 微計算機信息，2009（25）.

[4]邱靈枝，劉宏立. Intemet和ZigBee在智能公交通信網絡中的應用研究. 測控技術，2009（28）.